砂土地層深基坑施工對側方地鐵隧道形變影響研究

朱茂國

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

1 引言

伴隨著城市經濟的快速發展和人口的增長，城市地下空間的開發也迎來井噴時代，基坑工程作為主要的開發手段，其降水、開挖卸載會使得周邊巖土體移位，引發緊鄰的既有地鐵隧道位移場和應力場隨之變化，由于地鐵盾構隧道變形敏感、變形控制值嚴苛，一旦超標可能影響行車安全，甚至產生安全事故和社會負面影響，為確保地鐵隧道的安全性，研究基坑施工全程對既有隧道的三維變形影響至關重要。

深基坑開挖對地下隧道的影響研究是一個非常重要的課題，各科研、設計和施工人員開展了相關研究。趙剛[1]詳細分析了基坑不同施工階段對臨近地鐵隧道的變形規律；Zheng 等[2]采用二維有限元方法，得出基坑不同位置開挖引起下方3 個隧道位移場變化的區別與不同；蔣利明[3]采用理數值計算方法，得出基坑開挖引起周圍土體和地鐵隧道變形以豎向和水平位移為主。

本文結合沈陽某深基坑工程支護設計、 施工開挖工序與相關水文地質，采用Midas GTS 三維有限元分析模型與現場地鐵保護監測相結合手段，研究砂土地層基坑開挖全過程對側方地鐵盾構隧道的變形影響，可為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

該基坑工程位于沈陽和平區，地下建筑面積25 698 m2，地下共4 層，基坑南北向長96.5 m、東西向寬79.72 m、開挖深度-19.65 m，支護結構周長約342 m，基坑北側坑壁與地鐵線路及商業街軸線平行，近鄰地鐵及商業街側坑壁采用雙排（局部單排）混凝土樁（直徑1 m、間距1.3 m、排距2.2 m）+ 預應力錨索（局部鋼管內支撐）的支護結構形式，如圖1 所示?；臃秶貙又饕獮殡s填土、中砂、圓礫、粗砂、礫砂、中砂、花崗片麻巖，地下水類型為潛水，主要賦存在圓礫層中，水位埋深6.30～6.50 m。

運營地鐵隧道為盾構法施工，盾構管片外直徑6 m，厚0.3 m，受基坑施工直接影響里程約為DK12+802.0～DK12+882.0，影響長度約80 m，以直線為主，其中隧道右線距基坑支護壁邊緣13.5 m，隧道頂覆土約12 m，左右線線間距約13 m，在DK12+687～DK12+850 長162 m 地鐵盾構隧道縱坡設計為25‰上坡，在DK12+850～DK12+925 長75 m 地鐵盾構隧道縱坡設計為2‰上坡。

3 三維有限元數值模擬分析

3.1 假定條件

1）施工模擬過程不考慮非正常情況（如地震等不可控因素）。

2）假定巖土體力學行為服從摩爾庫倫屈服準則，土體各向同性且均勻分布。

3）假定既有地鐵結構以及基坑圍護結構為線彈性材料，且地鐵結構、基坑圍護結構及土體之間符合變形協調原則。

4）通過剛度等效的原則，將既有圍護結構等結構等效為一種同剛度材料。

3.2 模型建立

運用有限元軟件Midas GTS 建立整體三維有限元模型進行數值分析。土體表面取為自由邊界，土體4 個側面采用側向約束，土體底面采用鉸接方式約束其X、Y、Z方向位移，模型尺寸依據基坑長、寬、深最大值的3～5 倍距離進行選取，具體尺寸為長400 m、寬500 m、深100 m，共劃分單元43 200 個、節點46 535 個。

3.3 模型參數選取

為更準確分析基坑開挖對地鐵隧道結構三維變形影響，巖土體采用摩爾-庫倫本構模型，材料力學參數見表1。

表1 材料力學參數

盾構隧道管片結構采用實體單元，按C50 混凝土計算并考慮30%剛度的折減。基坑圍護樁、冠梁采用梁單元，基坑圍檁力學參數參考兩道C25b 型鋼選取，采用梁單元模擬?；优艠堕g距為1.3 m、內徑1.0 m、長29 m，鋼支撐為每開挖一層支撐一層，鋼支撐內徑0.8 m，預應力400～500 kN。各結構、構件材料力學參數見表2。

表2 模型計算既有結構物及基坑支護材料性能參數

計算過程的荷載主要考慮區間隧道結構自重、 土體豎向自重力、地面超載15 kPa、實際建筑荷載4 個方面。

3.4 基坑開挖步驟及數值模擬流程

根據施工順序，模型開挖分為5 階段進行，包括初始地應力平衡、隧道結構建立、土體開挖、預應力錨索施作及施加建筑荷載。由于基坑深度較大，基坑分5 層開挖，每層約4 m 厚，模擬過程見表3。

表3 模擬過程

3.5 三維數值分析

基坑開挖過程中，隧道的水平位移以及豎向位移變化曲線見圖2。

圖2 隧道水平、豎向變形曲線

由圖2 可知，其水平位移和豎向位移隨基坑開挖深度的增加而變大，水平位移和豎向位移均呈現兩端變形小、中間變形大的拋物線規律，且最大位移值均發生在隧道中間截面，其中水平最大位移約為4.5 mm，豎向最大位移約為2.76 mm；基坑在進行到第2 層和第3 層開挖時，隧道水平位移增加幅度較大，其中水平增加幅度分別為1.5 mm 和1.1 mm，豎向增加幅度分別為0.45 mm 和0.7 mm； 而基坑在進行到第4 層和第5 層開挖時水平及豎向位移增幅則出現明顯減小，其中水平增加幅度分別為0.6 mm 和0.7 mm，豎向增加幅度分別為0.27 mm 和0.24 mm； 隧道的水平、 豎向變形與基坑開挖范圍、深度存在顯著對應關系，基坑支護邊界對隧道變形起到強約束作用。

4 隧道監測設計與數據分析

4.1 隧道監測設計

地鐵隧道采用測量機器人全自動化實時在線監測，監測范圍為基坑工程垂直投影對應地鐵隧道范圍再向兩端各延伸20 m 區域，共計監測范圍120 m，其中直接影響范圍內每10 m（鋼管撐角部加密）布設1 個監測斷面，共布設15 個斷面，見圖3。

圖3 隧道自動化監測點位布置示意圖

4.2 監測安全控制標準與監測頻率

根據CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[4]，參考國內類似工程經驗和理論數值分析，確定隧道水平位移監測控制值為5.0 mm、速率1 mm/d，沉降監測控制值為5.0 mm，速率1 mm/d。

自動化監測正常頻率為1 次/4 h，遇監測預報警、基坑開挖變形過大、滲漏等非正常情況可后臺調整頻率為1 次/（1~2h），監測信息即時處理、反饋。

4.3 監測數據分析

基坑工程于2014 年11 月初基坑開挖，北側開挖至-10 m深度位置冬期停工，直至2015 年3 月2 日復工，5 月12 日全部開挖完成。為直觀、 準確反映隧道水平位移和豎向位移變形，選取階段性具有典型代表的時間節點監測數據形成曲線分析，分別見圖4 和圖5。

圖4 隧道豎向位移監測曲線圖

圖5 隧道水平位移監測曲線圖

結合實際基坑開挖施工進度可知，基坑北側開挖至-10 m深度均未對地鐵隧道產生較大幅度的豎向和水平位移影響，冬期停工期間的隧道豎向和水平位移變形基本保持穩定，在基坑復工后，隨著開挖進一步加深，基坑底土體“回彈”的跡象逐漸顯現出來，在3 月中下旬至整個4 月份隧道結構出現一個快速豎向隆起、快速水平位移變形的過程，呈現出明顯兩端小、中間大的拋物線變形趨勢。隧道變形直到開挖施工全部結束時達到變形峰值，其中豎向位移最大值出現在5 月12 日為2.98 mm，水平位移最大值亦出現在5 月12 日為3.5 mm，實測數據值與數值模擬值變形趨勢和大小基本吻合，均小于監測變形控制標準累計值5 mm 的要求。

5 結語

本項目采用數值模擬和現場監測的方法，從理論和實踐兩方面分析了基坑不同開挖階段對側臨既有地鐵盾構隧道變形影響程度與變形規律，對后續工程有兩點可以借鑒。

1）根據數值模擬和現場監測結果來看，基坑開挖卸載易引起地鐵隧道結構產生豎向和水平變形直至基坑全部開挖完成變形方趨于穩定，實測數據值與數值模擬值變形趨勢和大小基本吻合，均為隨著基坑開挖越深，水平和豎向變形量越大，呈現出明顯兩端變形小、中間變形大的拋物線規律，且隧道變形最大值位于基坑邊線中點處。

2）運營地鐵隧道對變形控制標準要求較高，當地鐵周邊存在可能受開挖卸載、降抽排水等施工影響時，采取全自動化實時在線監測將十分必要； 可根據理論數值模擬分析結果合理優化監測點布置和有側重地選擇監測項目，并對變形最大值處重點監測關注和制訂有針對性的施工開挖方案、 施工應急預案，以便節省非必要的經濟支出。